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硅基液晶(LCoS)微显示技术

来源:卡比獸papa


摘要:由于科技的发展和不同应用需求的提出,在过去的几十年时间内,新型显示技术层出不穷。但是,在微显示领域,由于可以在成本、显示性能、功耗和屏幕尺寸等方面实现性能的综合优化,硅基液晶(liquid crystal on silicon,LCoS)显示技术具有其独有的优势。LCoS微显示基于集成电路工艺实现,需高度集成电路和显示器件。随着集成电路技术的发展以及加工精度的提高,LCoS有望在保证其显示性能的前提下进一步实现显示微缩化,并成为微显示领域的主流。阐述了LCoS显示技术的原理和特性,以及国内外LCoS显示技术的发展现状,为LCoS显示从架构、方案及电路设计等方面提供了技术参考。


关键词:半导体工艺;硅基液晶;微显示;高分辨率


0 引言


显示技术是人们赖以获取外界信息的关键手段和重要途径。随着科技的发展和军用、民用的潜在需求,微型化、高分辨率和低功耗正成为下一代显示技术的发展方向。作为半导体集成电路和液晶显示结合的产物,硅基液晶(liquid crystal on silicon,LCoS)由于能够迎合集成电路工艺的发展趋势,充分利用先进工艺优势,具有体积小、分辨率高、光有效利用率高和功耗低等优点。正因如此,LCoS将被广泛应用于下一代便携式投影显示系统和近目系统中。与液晶显示(LCD)、发光二极管显示(LED)等不同的是,LCoS显示驱动电路单元分布于液晶下层硅基板中,这不仅能够提高LCoS 显示界面的开口率及光有效利用率,更能够保证LCoS驱动电路的面积和功耗能够直接得益于纳米级CMOS工艺的发展。在过去的三四十年里,由于过高的技术成本原因,国内外对LCoS的研究及产业投入都处于趑趄不前的状态。近年来,随着集成电路工艺的发展和显示品质的日益提高,LCoS再次进入大家的视野,成为关注和研究的热点。本文首先针对LCoS的显示原理及显示特性展开阐述分析,然后说明国内外LCoS显示的发展现状及在LCoS显示领域的发展契机。


1 微显示技术


微显示分为投影微显示和近眼微显示(near-eye display,NED)两大类。对于大尺寸显示的需求,如果采用“实体”扩大的方式来满足显示要求,显示屏幕尺寸和图像尺寸将同步增大,从而将需要在显示屏幕的加工技术、成本、工作周期和耗电性能等方面付出很大的代价。反之,如果采用“光学”放大的方式来基于微显示。


技术得到大尺寸显示图像,则在制造成本和能效性能方面付出的代价都很小。家庭背投显示、会议及室外投影显示常常需要用到这一类微显示技术。近眼微显示则常用于头戴式显示器、平视小尺寸显示器和电子取景器等场合。图1所示为当前微显示技术主要的应用领域。


与传统的平板显示相比较,微显示技术具有几个优点:(1)易于集成到可穿戴设备中;(2)具有高分辨率和高清晰度;(3)更加节能环保。


未来最有可能成为微显示技术主流的是Micro-LED和LCoS两类。Micro-LED是LED微缩化和矩阵化后的产物,其像素单元在100 μm以下,它继承了LED的高效率、高亮度、高可靠度、自发光及反应时间快等特点,更具节能、体积小等优势。图2所示为Micro-LED的结构示意图,显示驱动电路利用半导体制造工艺集成在底部硅衬底,其上为采用MOCVD制作的基于蓝宝石衬底的LED阵列,然后采用CMOS工艺进行金属键合,将硅基驱动电路和蓝宝石基LED阵列完成电学与物理连接。LED受激发光后经过三基色滤光膜,最终组合成显示的图像画面。2018年,英国Plessey公司和中国台湾Jasper公司联合推出一款像素间距为8 μm,分辨率达1920×1080的Micro-LED显示屏。




图1 微显示应用领域


Micro-LED的制备过程中需要将蓝宝石基的LED阵列转移至硅基以实现金属连接,因此需要制作一块Micro-LED显示屏幕需要两套独立的衬底和加工工艺,从而会导致生产成本的上升,并对良率带来极大的挑战。




图2 Micro-LED示意图


相比之下,LCoS选用液晶分子代替LED来避免两套独立衬底及加工工艺带来的成本问题和良率风险。基于CMOS晶体管设计实现的LCoS显示驱动电路集成在液晶层的硅基板中。随着集成电路工艺的发展,晶体管集成度大幅提高,单个像素面积将取决于液晶分子的尺寸,而不是像素的驱动电路规模。因此,LCoS显示精细度可以得到很大程度的改善,有利于高品质微显示设计。截至目前,LCoS显示屏幕精细度可达到3000~5000 DPI。但是,不同于Micro-LED这种主动发光显示技术,LCoS属于被动显示类型。因此,LCoS显示需要一套与之对应的光路系统来协同工作。接下来,本文将针对LCoS工作原理及相关问题进行详细阐述。


2 LCoS技术讨论



2.1 LCoS显示原理


LCoS是一种反射式液晶显示技术,其结构如图3所示。LCoS显示将液晶分子填充于上层玻璃基板和下层金属反射层之间,金属反射层和顶层ITO公共电极之间的电压共同决定液晶分子的光通性能并展现出不同的像素灰阶,而显示驱动电路直接在硅基板上完成制备。为了避免入射光对硅基板内部晶体管照射形成光生载流子,影响驱动电路性能,通常在电路走线层和金属反射层之间添加一层金属遮光层,实现对入射光的屏蔽目的。导向层可以确定液晶分子的有序排列。支撑垫通过化学机械研磨来保证其高度一致性,其高度由所选择液晶盒厚度来决定。




图3 LCoS结构示意图


LCoS的显示原理为:当液晶层像素的外加电压为零时,入射的S偏振光经过液晶层,其偏正方向不产生扭转,达到底部金属反射层反射回来时仍为S偏振光,穿过液晶层射出。随后经过PBS棱镜反射回到原来光路,在这种情况下,光线不进入投影光路,没有光输出,即此像素呈现“暗态”。反之,当像素存在外加电压时,入射的S偏振光在经过液晶层时,偏振方向将发生偏振,当其经金属反射层反射,再出穿过液晶层时将变为P偏振光。这束P偏振光在穿过PBS棱镜是,将进入投影光路,在屏幕上显示成像,即呈现“亮态”。施加在像素两端电压的大小将影响液晶分子的光通性能,进而决定该像素的显示灰阶。


LCoS显示系统分三片式和单片式两种。三片式LCoS采用空间混色法实现图像彩色化。白光经双色镜分为红、绿、蓝3路基色光后,再经过各自光路的偏光镜,然后射入LCoS显示板,组合成彩色图像。由于三片式LCoS显示系统除了需要进行分光及偏振化之外,不再需要额外的分光及合光操作,因此虽然体积相对较大、成本较高外,光学效率比较高,画质也比较好。单片式LCoS显示采用时间混色发完成图像彩色化合成。原始输入图像分为三基色子图像后经过PBS,依次在像素上显示。当红色图像信号输入到驱动电路时,采用红色照射,绿光和蓝光采用类似的处理方法。由于单片式LCoS显示每一个像素点不存在三基色子像素,所以可以避免像素错位,并且能够降低成本,提高价格竞争力。但是单片式LCoS显示对液晶的响应速度提出了更加苛刻的要求。


影响LCoS显示质量的一个关键因素就是金属反射层表面的平整度。只有金属反射层足够平整,才能精确地实现对光线反射路线的控制。图4所示为典型的LCoS金属层工艺加工流程示意图。


(1)首先,在硅晶片基底上完成LCoS驱动电路的设计,并在驱动电路层(包括硅衬底和金属走线层)上完成绝缘层的制作。然后依次沉积金属反射层、复合保护层;


(2)对复合保护层、金属反射层和绝缘层进行刻蚀,露出驱动电路层的上表面,实现像素单元图案化;


(3)完成像素单元刻蚀操作后,复合保护层和驱动电路层上方进行介质层沉积,并将步骤(2)刻蚀出的沟槽进行填积处理;





图4 LCoS金属反射层制作流程图


(4)对步骤(3)沉积的介质层进行化学机械抛光(CMP)处理,当抛光至复合保护层上方时,停止CMP;


(5)通过刻蚀的方法复合保护层的剩余部分,露出金属反射层的上表面。


在步骤(4)通过CMP去除金属层上复合保护层(通常为二氧化硅材料)时,如果复合层材料质地过软(如二氧化硅),那么当研磨进行至该复合保护层时,会由于CMP引起球形凹陷并将该凹陷变形体现在下层的金属反射层,导致反射层表面不平整。为了解决上述问题,可以通过沉积工艺处理,将复合保护层改变为双层结构,上层为硬质层氮化硅层,下层为软质层二氧化硅层。当CMP进行到复合保护层上层硬质层的时候,CMP就停止。这样下层软质层可以起到对金属反射层的保护作用,然后再采用刻蚀的方法去除保护层,便可以制作出高质量的LCoS金属反射层。


2.2 LCoS混色方法


在阐述LCoS混色方法之前,首先对眼睛的分辨率和视觉停留进行说明是非常有必要的。人眼分辨率是指在距离目测物一定距离的前提下,人眼能够分辨的两个点(线)之间的最小间距的前提下的视觉分辨角。人眼分辨率将决定屏幕像素的最大允许尺寸和最小像素间距。人眼对相邻两点(线)的最小分辨角θ为:


θ = 1.22λ/D (1)


其中,λ为光波波长,对于可见光,λ的范围介于380~780 nm,D为人眼的眼瞳直径,其典型取值为8 mm。


图5为像素间距计算示意图,假设人眼与观测物之间的距离为L,则可以估算出所观测点(线)的最大允许直径(宽度)d为:





在L确定的情况下,根据(2)可以计算得到d的取值。实际中像素尺寸和像素间距将主要由分辨率要求和屏幕尺寸来决定。


视觉停留是指人眼所观察的外界事物消失后,视觉印象并不会立刻消失,而是会继续保留一段时间的现象,视觉印象继续保留的这段时间约为1/24 s。因此,如果以每秒24次或者更快的频率来更新屏幕画面的话,观察者将无法察觉画面的不连续。实际上,图像更新频率低于60 Hz很容易引起人眼视觉疲劳,因此画面更新频率应该设置为不低于60 Hz。屏幕刷新频率越高,画面越稳定,人眼感觉越舒服。


混色方法主要有时间混色法和空间混色法两种。时间混色法通常是将一帧完整的图像信号分为红、绿、蓝三基色子场来进行扫描驱动。也就是说,通过将三基色图像轮流投射在同一屏幕上,只要相邻基色图像切换的速度够快,就可以利用人眼的视觉惰性产生彩色视觉效果。时间混色法不需要使用滤色膜来产生RGB基色光,因此不仅可以避免制作微滤色膜的复杂工艺,而且由于像素单元中不存在子像素,显示画面的分辨率也能够有效提高。




图5 像素间距计算示意图


图6所示为每一个子色场驱动时间示意图。可以看出,每一子场周期将被划分为3 部分:(1)一场图像信号写满显示芯片所需时间;(2)液晶材料响应时间;(3)光照时间。





图6 子色场驱动时间分配


随着显示屏幕分辨率的增大,信号写入时间将显著增大。因此,在一定的子场频率下(通常大于180 Hz),液晶的响应速度和脉冲光源切换速度需要非常快。


空间混色法充分利用人眼有限分辨力这一特征实现对显示图像的视觉混色。如图7(a)和图7(b)所示,空间混色法一般有两种实现方式:滤色膜法和三色光源法。滤色膜法通过将一个像素分为相邻的3个子像素并在每个子像素上覆盖红、绿、蓝三基色滤色膜,由于人眼的分辨率有限,无法区分3个子像素的发光界限,因此产生了视觉混色效果。这种方法的缺点是由于子像素的错位问题可能引起显示分辨率的降低。三色光源法需要将三基色光源经过光学系统进行图像合成。这种方法主要的缺点是体积大。





图7 空间混色示意图


2.3 LCoS驱动方法


LCoS的显示驱动方式有模拟驱动法和数字驱动法。模拟驱动法是利用DRAM结构来实现像素的不同灰阶显示。图8所示为模拟驱动的简单示意图,输入显示信号需要经过数模转换器(DAC)转换为模拟电压信号,该信号与公共电极信号电压差为像素两端电压。通过控制DAC的输出电压便可实现对像素电压的调制,进而实现灰阶显示控制。模拟控制法在LCoS 显示应用中面临的主要问题有:(1)CMOS工艺下,像素开关管关断状态下的泄漏电流不容忽略,从而导致DRAM结构中保持电容过大。保持电容过大将不仅仅会降低图像刷新频率,还会占据太大的芯片面积,降低屏幕分辨率;(2)随着屏幕分辨率的增大,留给输出缓冲器(图8中的buffer)对保持电容和液晶电容的充电时间将减小。在电容负载一定的条件下,充分的充电电压要求将对buffer的带宽提出越来越苛刻的要求。


数字驱动法一般可以利用SRAM结构来实现像素的不同灰阶显示。这种方法对不同灰阶的控制是通过对像素开关的导通时间进行调制来实现的,即脉宽调制型(PWM)控制方法。基于SRAM实现的数字驱动法虽然不需要通过DAC来进行模数转换,但却要求对LCoS配套非常复杂且高速的控制接口,从而导致设计复杂度和技术成本的提高。





图8 模拟驱动法示意图


另外一种可行的数字驱动型电路结构示意图如图9所示。以10位灰阶为例,如果每个反相器的延迟时间为Tu,那么在1帧时间内单个像素最长驱动时间1024×Tu。D0输出信号每翻转1次,计数器输出结果增加1,意味着像素驱动时间经过了10×Tu。不足10×Tu的驱动时间通过D1~D9的输出信号翻转来实现计数。通过上述方法可以实现对像素驱动的脉宽调制,进而实现灰阶控制。





图9 数字驱动法示意图


除此之外,根据对像素阵列的扫描方式不同,可以分为逐点扫描、逐行扫描和隔行扫描。逐点扫描版图布局压力小,但是对电路工作速度要求高,不适用与高分辨率LCoS显示。逐行扫描,尤其是隔行扫描,对版图布局压力大,但是对电路工作速度要求低。对于分辨率要求高的LCoS显示要求,可以考虑将逐点扫描和逐行扫描/隔行扫描相结合,从而同时减轻版图布局压力和降低电路工作速度要求。


2.4 LCoS在微显示应用中的优缺点


LCoS的优点可以归结为:


(1)没有额外附加的偏振片,光利用率高;


(2)屏幕开口率大,像素亮度高;


(3)随着工艺的发展可以进一步微缩化;


(4)功耗低、寿命长。


和Micro-LED相比,虽然LCoS显示技术具有成本低和制作难度低的优势,但是对超高分辨率的显示场合,LCoS的图像刷新频率将很大程度上受到液晶响应时间的限制。相反,Micro-LED通过LED主动发光完成图像的显示,屏幕刷新频率将比LCoS显示高很多,从而在超高分辨率微显示领域更加“技高一筹”。


3 LCoS显示国内外发展现状


LCoS在过去八九年的时间由于成本及良率的问题,一直处于发展低潮期。由于LCoS微显示技术能够提供更高质量的显示性能,并在技术成本及功耗性能等方面有突出的优势,已经受到部件制造商越来越多的青睐。对微尺寸、高分辨率、低成本及低功耗显示器需求的不断增长,支持了LCoS显示器市场的增长,LCoS发展的春天即将到来。预测在未来2020~2025年,LCoS显示器市场的复合年增长率可达32.25%。


然而,纵观国内外LCoS产业布局不难发现,LCoS市场非常集中,极少数的几家欧美企业及台企掌握着目前最先进的LCoS显示技术并控制着LCoS显示的应用市场。2019年2月,KOPIN公司旗下子公司第四维度显示公司在2019年光子西部发布了2K × 2K高性能反射LCOS 设备;2019年1月,SYNDIANT公司在内华达州拉斯维加斯举行的2019年消费电子展上推出了4K超高清LCOS微显示器和光学引擎;2018年10月,OMNIVISION公司发布了业界首款1080 p硅基液晶微显示器,并成功完成了驱动电路和存储电路的一体化集成。


国内对LCoS微显示芯片的研究最早可以追溯到1998年。1998年,南开大学信息学院的科研团队在国内率先开展了LCoS微显示器芯片技术的研究,并且成功研制出国内首枚LCoS微显示芯片。2019年11月,上海慧新辰实业有限公司对外发布成功研制出国内首款商业化LCoS显示芯片。但是通过对比分辨率、像素密度等关键指标,不难发现,距离国际先进水平还有一定的差距。


总体而言,由于国内外对LCoS显示的研究仍然不是非常充分,当前对LCoS的研究受到的专利限制不是很苛刻,所以当前开展对LCoS这种极具市场潜力的显示技术的研究具有非常合适、非常重要的契机。


4 结论


本文首先对Micro-LED和LCoS这两类微显示技术进行了简单介绍,并作了基本比较;然后针对LCoS显示技术的显示原理和LCoS关键问题进行了阐述及比较,为LCoS显示从架构、方案及电路设计等方面提供了技术参考。最后,对国内外LCoS显示的产业布局进行了分析,明确了LCoS显示技术发展的契机。


文献来源:


梁宇华,朱樟明. 硅基液晶(LCoS)微显示技术, 2020, 2(2): 73-79.


LIANG Yuhua, ZHU Zhangming. Micro-displaytechnique of liquid crystal on silicon (LCoS) [J]. Micro/nano Electronics andIntelligent Manufacturing, 2020, 2(2): 73-79.



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